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科技日历 | 54年前双子星8号完成人类首次太空对接,阿姆斯特朗经历“殊死时刻”
2020-03-18 10:48 前瞻网   

在尼尔·阿姆斯特朗(Neil Armstrong)和戴维·斯科特(David Scott)在月球迈出“人类”之前,他们在54年前的今天完成的人类首次航天器太空对接,是美国宇航局最生动的太空任务之一。

这是一项关键性航天技术,不管是实现载人登月,还是构建轨道空间站,这项技术都是绕不过的坎。美国阿波罗登月期间使用的太空对接技术,最早就是通过此前的“双子星”计划期间的一系列飞行掌握的。

1966年3月17日,美东时间上午10:41:02,阿姆斯特朗担任指令长的“双子星8号”飞船实现了与无人的“阿格纳”(Agena)目标飞行器的交会对接。这也标志着人类首次太空对接顺利完成。“Flight, we are docked!”在成功对接那一刻,阿姆斯特朗激动地喊了出来。

双子星8号任务计划为期3天,在此期间,阿姆斯特朗和斯科特将与Agena-D目标飞行器会合,并进行四次对接测试。这次飞行是建立在双子座6号和双子座7号机组人员成功的基础上的,他们在1965年12月实现了两架太空飞行器之间的首次交会。

双子星8号发射后,于11:47:36将嵌入159.9×271.9公里的轨道。在接下来的六个小时中,飞船进行了9次演习,与早些时候(美国东部标准时间上午9:00)发射的双子星Agena目标飞行器(GATV)会合。会合阶段在下午4:39结束。美国东部标准时间,航天器相距45米,相对运动为零。驻守和其他演习进行了大约半小时,然后双子座8号在下午5:14进入并与GATV对接,这是有史以来第一次在太空中进行的对接。

当它们对接时,机组人员一直在使用目标的引擎来驾驶两艘飞船,以节省双子座的燃料供应。禁用Agena控制系统似乎可以停止运动,但这只是短暂的。

在这场里程碑式的“对接”之后不久,由于飞船损伤系统突然失灵,宇航员们不得不进行紧急着陆处理。下午5:41,对接约27分钟合并后的两个航天器开始猛烈横摆和翻滚。

接着,宇宙飞船上12只小型助推火箭中的一只原因不明地起火。

阿姆斯特朗(Armstrong)遵循任务控制(Community Control)的建议后,要求阿格纳(Agena)撤离。阿姆斯特朗(Armstrong)和斯科特迅速离开飞行器,将注意力转移到稳定飞船上。

很快,他就发现问题并不是出在Agena身上,而是出在他们自己身上。

当时他们并没有意识到,但是双子座8号的轨道姿态和操纵系统(OAMS)推进器中的一个短路并被卡住了。当太空舱进入与地面建立联系的范围时,情况变得越来越严峻。

“我们在这里有严重的问题,”斯科特通过广播向任务控制部说明了情况。“我们在这里翻来覆去。”

双子星8号正在接近甚至可能超过每秒一转的速度。在里面,宇航员越来越头晕。

阿姆斯特朗说:“当我从火箭发动机的控制装置上方看时,情况变得越来越模糊。” “我知道我们将必须迅速采取行动,以确保我们能够解决问题,而不会失去我们的视野或意识。”

阿姆斯特朗只剩下一个选择:禁用OAMS推进器,改用再入控制系统。斯科特说:“我们都知道,如果这行不通,那我们就死定了。”

随后,阿姆斯特朗伸过头顶,拨动开关,激活双子座前端的推进器。阿姆斯特朗(Armstrong)和史考特(Scott)设法停用了轨道姿态与操纵系统(OAMS),并在最后一次制止暴力翻滚的最终尝试中,全部16个再入控制系统(RCS)推进器都被用来减震。这项操作成功地在下午6:06:30稳定了航天器。

幸运的是,不久,飞船又回到了他们的控制之中。

他们终于找到了罪魁祸首——第8个OAMS推进器。两位宇航员发现,双子星8号上25磅重的OAMS侧倾推进器(8号侧倾推进器)一直被卡住,从而引起翻滚。显然,它在用于操纵Gemini-GATV组合时发生了短路,并且一直处于打开状态。

但即使已经知道了,双子星8号的任务也结束了。这个过程已经使用了75%的RCS燃料。

由于过早使用了重入控制系统,因此宇航员按照了双子星安全规则要求立即着陆,计划中的EVA和其他活动被临时取消。

尼尔·阿姆斯特朗(Neil Armstrong)说:“我知道任务规定是什么,我们必须着陆,并在下一个方便的机会着陆。”

虽然失败了,后续影响却不小

航天器发射后仅十个多小时,双子星8号与Agena分离,在其第七轨道重新进入地球大气层,并于晚上10:22在太平洋上溅落。

宇航员在几分钟之内从一架C-54救援飞机上跳下来,并在飞船周围贴上了浮环。机组人员被美国救援船接住。阿姆斯特朗和斯科特很累,但很安全。

“我们很失望,我们无法完成任务,但是我们确实拥有的部分以及我们所经历的,我们不会为任何目的而交易,”阿姆斯特朗当时写道。

任务的提前终止无法实现许多任务目标,但是会合和对接得以完成,同时辅助磁带存储单元的评估和受控重入的演示也得以完成。

在六个科学实验中,只有Agena微陨石收集成功。其他任务(1)黄道光摄影;(2)蛙卵生长;(3)天气地形摄影;(4)核乳剂和(5)云光谱摄影 都进行得不完整。Agena目标飞行器仍留在轨道上,并通过地面命令进行机动,包括成功地将其放入圆形轨道。

4个月后,约翰·杨(John Young)和迈克尔·柯林斯(Michael Collins)的双子星10号将双子星8号的Agena用作被动目标,并完成了阿姆斯特朗和斯科特的任务目标。

此后的五年中,更多的太空舱已与其他航天器对接,卫星已与其他卫星对接,航天器已与空间站对接。苏联是美国在太空竞赛中的竞争对手,于1967年10月完成了第一次无人对接。(第一次苏联乘员对接于1969年1月在联盟号4和联盟号5之间进行)。

至于阿姆斯特朗和斯科特,他们各自完成了以后的对接,在月球上行走后,将各自月球舱的上升阶段引向与阿波罗11号和阿波罗15号任务的指挥舱连接。

双子星8号和子系统

双子星飞船是一个由两个组件组成的锥形舱,一个再入舱和一个适配器舱。适配器模块构成了航天器的底座。它是截顶圆锥体,高228.6厘米,底部直径304.8厘米,上端228.6厘米,它连接到折返组件的底部。可重入模块由一个圆锥形的圆锥体组成,圆锥形的直径从底部的228.6 cm减小到98.2cm,顶部是相同直径的短圆柱,然后另一个圆锥形的圆锥体在平顶减小到74.6 cm的直径。再入舱高345.0厘米,双子星飞船的总高度为573.6厘米。

(图源:NASA)

适配器模块为外皮纵梁框架结构,带有镁纵梁和铝合金框架。适配器由两部分组成,底部是设备部分,顶部是后火箭部分。设备部分装有燃料和推进系统,并通过玻璃纤维夹心蜂窝防爆板与后火箭部分隔离。火箭后段装有再入舱火箭。

再入舱主要由加压舱组成,该舱容纳了两名双子星宇航员。弯曲的硅酮弹性体烧蚀热屏蔽层将折返模块与适配器的后退部分从底部分开。该模块主要由钛和镍合金以及铍瓦组成。在模块的狭窄顶部是圆柱形的再入控制系统部分,在此上方的是会合和回收部分,用于容纳再入降落伞。机舱内装有两个座椅,配有应急弹出装置,仪表板,生命支持设备和设备储物格,总加压容积约为2.25立方米。可以向外打开两个带小窗的大舱口,每个舱口上方一个。

控制,推进和动力

姿态控制由两个平移操纵手控制器,一个姿态控制器、冗余的水平传感器系统和再入控制电子设备进行,并通过惯性测量单元和雷达系统提供指导。轨道姿态和操纵系统使用了由增压压力为2800 psi的氦气系统向发动机提供的一甲基肼和四氧化二氮的超高推进剂组合。沿着适配器的底部边缘安装了两个95磅的平移推进器和八个23磅的姿态推进器,在适配器的前部安装了两个79磅和4个95磅推进器。由燃料电池电源系统向22至30伏的直流两线制系统供电。在再入和着陆后期间,由四个45安培/小时的银锌电池供电。

通讯技术

语音通信的输出功率为296.9 MHz,输出功率为3W。还提供了备用的收发器,频率为15.016 MHz,输出功率为5W。使用了由四分之一波单极子组成的两个天线系统。遥测是通过三个系统传输的,一个用于实时遥测,一个用于记录仪回放,以及一个备用。每个系统都经过最小2 W的频率调制。航天器跟踪由两个C波段雷达应答器和一个获取辅助信标组成。一个应答器安装在适配器中,峰值功率输出为600 W,到适配器底部的缝隙天线。另一个在折返区,将1000 W功率传送到在舱口正前方以120度间隔安装的三个螺旋形天线。采集辅助信标安装在适配器上,功率为250mW。

再入系统

再入时,航天器将被操纵到适当的方向,设备适配器部分将被拆卸和抛弃,从而暴露出后火箭模块。逆向火箭弹由四个安装在折返适配器模块中心附近的球形壳体多硫化物高氯酸铵固体推进剂电动机组成,每个电动机的推力为11,070N。他们会开火将航天器重新送入大气层,其运行姿态由16个引擎的再入控制系统保持,每个引擎的推力为5.2N。然后将后火箭模块抛弃,将防热罩暴露在折返模块底部。除烧蚀隔热罩外,模块底部的薄Rene 41散热板和顶部的铍板也提供了折返过程中的热保护。在木瓦下面是一层MIN-K隔热材料和thermoflex毯子。在大约15,000米的高度,宇航员将从会合和恢复区部署2.4米的锥管滑道。在3230米的高度,机组人员释放了锥套,抽出5.5米的飞行员降落伞。集合和恢复部分在2.5秒后释放,部署了25.6米的主环帆降落伞,该降落伞存储在该部分的底部。

任务总结

预定的3天任务的主要目标是与双子座Agena目标飞行器(GATV)会合和对接,并进行舱外活动。次要目标包括航天器交会和对接,使用GATV主推进系统执行对接演习,执行10个实验,进行对接练习,执行重新交会,评估辅助磁带存储单元,演示受控的重入以及将GATV停放在220海里的圆形轨道上GATV插入标称161海里的圆形轨道。

由于任务提前终止,无法实现所有任务目标,但一个主要目标——会合和对接成功了。还实现了几个次要目标:在第四次旋转期间会合和对接,评估辅助磁带存储单元,演示受控的重新进入以及将GATV停放。

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